DE102009040145A1 - Method and device for stopping a manipulator - Google Patents

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    • G05B2219/39098Estimate stop, brake distance in predef time, then verify if in safe distance

Abstract

The method involves monitoring an area (A0,A2) and braking a manipulator. The monitored area is variably specified during the operation on the basis of a braking distance (S-max) of the manipulator. The braking distance or a brake force distribution of the manipulator is preliminary simulated for different states. Independent claims are also included for the following: (1) a device for stopping a manipulator, particularly a robot; (2) a computer program that runs in a computer system; and (3) a computer program product with a program code.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stillsetzen eines Manipulators, insbesondere eines Roboters, sowie zum Bestimmen eines Bremsweges des Manipulators.The present invention relates to a method and a device for stopping a manipulator, in particular a robot, as well as for determining a braking distance of the manipulator.

Insbesondere im Rahmen sicherheitskritischer Roboteranwendungen ist es bekannt, Schutzbereiche, beispielsweise in einem Weltkoordinatensystem, vorzugeben, in die der Roboter mit Gliedern oder Referenzpunkten wie etwa seinem TCP nicht eindringen darf. Wird eine Bereichsverletzung erkannt, wird der Roboter sicher stillgesetzt.In particular in the context of safety-critical robot applications, it is known to specify protection areas, for example in a world coordinate system, into which the robot is not allowed to penetrate with links or reference points such as its TCP. If a zone violation is detected, the robot is safely shut down.

Dabei kann der Roboter jedoch aufgrund seiner Massenträgheiten sowie der Totzeiten und Trägheiten zwischen Bereichsverletzung und Ansprechen der Überwachung noch weiter in den Schutzbereich eindringen.In this case, however, the robot can penetrate even further into the protected area due to its inertia and the dead times and inertias between range violation and response of the monitoring.

Die DE 10 2008 013 431 A1 schlägt vor, auf Basis des Abstandes einer detektierten Person und dem Arbeitsbereich einer Maschine und der durchschnittlichen Schrittgeschwindigkeit der Person die maximal zur Verfügung stehende Verzögerungszeit zu bestimmen und den Bremsverlauf entsprechend zu wählen, um die Maschine vor einer Gefährdung stillzusetzen. Die zugehörige Personendetektierung ist jedoch sehr aufwändig.The DE 10 2008 013 431 A1 suggests to determine the maximum available delay time based on the distance of a detected person and the working range of a machine and the average walking speed of the person and to choose the braking course accordingly to shut down the machine from a hazard. The associated personal detection is very complex.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb von Manipulatoren zu verbessern.The object of the present invention is to improve the operation of manipulators.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 2 gelöst. Anspruch 9 stellt eine Vorrichtung, Anspruch 10 bzw. 11 ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by a method having the features of claim 1 or 2. Claim 9 provides a device, claim 10 or 11, a computer program or a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, for performing a method according to the invention under protection. The subclaims relate to advantageous developments.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen Bereich zu überwachen und den Manipulator zu bremsen, vorzugsweise sicher stillzusetzen, wenn erfasst wird, dass er den überwachten Bereich verletzt.According to a first aspect of the present invention, it is proposed to monitor an area and to brake the manipulator, preferably to shut it down safely when it is detected that it violates the monitored area.

Der Bereich kann beispielsweise in Gelenkkoordinaten des Manipulators oder Weltkoordinaten, etwa einer Roboterzelle, vorgegeben werden. Dazu kann, zum Beispiel auf Basis seiner, gegebenenfalls in Weltkoordinaten transformierten, Gelenkkoordinaten, überwacht werden, ob ein oder mehrere Glieder des Manipulators bzw. manipulatorfeste Referenzpunkte wie sein TCP, sich innerhalb eines unzulässigen Schutzbereichs bzw. außerhalb eines zulässigen Arbeitsbereichs befinden oder nicht. Gleichermaßen können Positionen solcher Glieder bzw. Referenzpunkte auch, beispielsweise mittels elektromagnetischer Strahlung wie sichtbarem oder UV-Licht, Radar, Funk oder dergleichen, durch einen Vorrichtung erfasst werden, indem etwa ein oder mehrere Kameras die Pose des Manipulators erfassen oder der Abstand eines oder mehrerer manipulatorfester Referenzpunkte von umgebungsfesten Sendern oder Empfängern erfasst wird.The area can be specified for example in joint coordinates of the manipulator or world coordinates, for example a robot cell. For this purpose, it can be monitored, for example, on the basis of its joint coordinates, which may have been transformed into world coordinates, whether or not one or more members of the manipulator or manipulator-fixed reference points such as its TCP are within an inadmissible protection range or outside an admissible working range. Likewise, positions of such members or reference points can also be detected by a device, for example by means of electromagnetic radiation such as visible or UV light, radar, radio or the like, by one or more cameras detecting the pose of the manipulator or the distance of one or more tamper-resistant reference points is detected by ambient transmitters or receivers.

Nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der überwachte Bereich nun während des Betriebs auf Basis eines Bremsweges des Manipulators variabel vorgegeben. Insbesondere kann er bei längeren Bremswegen vergrößert und/oder bei kürzeren Bremswegen verkleinert werden. Vorzugsweise wird der Bremsweg dazu während des Betriebes, beispielsweise zyklisch, ermittelt und der überwachte Bereich entsprechend aktualisiert.According to the first aspect of the present invention, the monitored area is now variably set during operation on the basis of a braking distance of the manipulator. In particular, it can be increased with longer braking distances and / or reduced in shorter braking distances. Preferably, the braking distance is determined during operation, for example cyclically, and the monitored area is updated accordingly.

Der Bremsweg hängt insbesondere von der zu dissipierenden kinetischen Energie des Manipulators ab, die ihrerseits von dessen Geschwindigkeiten, Massen und Trägheitsmomenten abhängt, welche je nach bewegter Traglast wiederum variieren können. Zusätzlich kann der Bremsweg auch durch die Schwerkraft verlängert oder verkürzt werden, je nachdem, ob diese zusätzliche Bremskräfte und -momente induziert oder diesen beschleunigend entgegenwirkt. Weiterhin führen verschiedene Bremskraft- bzw. -momentverläufe aufgrund von Toleranzen, Verschleiß, Erwärmung und dergleichen zu unterschiedlichen Bremswegen.The braking distance depends in particular on the kinetic energy of the manipulator to be dissipated, which in turn depends on its speeds, masses and moments of inertia, which in turn may vary depending on the moving load. In addition, the braking distance can also be extended or shortened by gravity, depending on whether it induces additional braking forces and moments or counteracts them in an accelerating manner. Furthermore, different braking force or torque curves due to tolerances, wear, heating and the like lead to different braking distances.

Dementsprechend kann der Bremsweg nach einer Ausführung während des Betriebs auf Basis eines Modells, welches die Dynamik des Manipulators, insbesondere seine Gewichts- und/oder Trägheitskräfte, und/oder Bremskraft- bzw. -momentverläufe beschreibt, ermittelt und dementsprechend der Bremsweg bestimmt werden. Ist beispielsweise das Massenträgheitsmoment J bezüglich der vertikalen Achse eines einachsigen Roboters mit dem Gelenkwinkel q und sein konstantes Bremsdrehmoment τ0 bekannt, ergibt sich der Bremsweg s auf Basis des dynamischen Modells J × d2q/dt2 = –τ (1) in Abhängigkeit von seiner Anfangsgeschwindigkeit ω durch Zeitintegration zu s = (J × ω2)/(2 × τ0) (2). Accordingly, the braking distance after execution during operation on the basis of a model which describes the dynamics of the manipulator, in particular its weight and / or inertial forces, and / or Bremskraft- or -momentverläufe determined and determined accordingly the braking distance. If, for example, the moment of inertia J with respect to the vertical axis of a uniaxial robot with the joint angle q and its constant braking torque τ 0 are known, the braking distance s results on the basis of the dynamic model J × d 2 q / dt 2 = -τ (1) depending on its initial velocity ω by time integration s = (J × ω 2 ) / (2 × τ 0 ) (2).

Bei komplexeren Manipulatoren wie beispielsweise sechsachsigen Industrierobotern ist die Auswertung eines entsprechenden Modells zur Bestimmung des Bremsweges s = f(q, dq/dt, L) (3) in Abhängigkeit von den Gelenkkoordinaten q, deren ersten zeitlichen Ableitung bzw. Gelenkgeschwindigkeit dq/dt und Traglastparametern L, die neben der Traglastmasse deren Trägheitsmomente und Schwerpunktlage umfassen können, jedoch kaum noch online während des Betriebes möglich.For more complex manipulators such as six-axis industrial robots, the evaluation of an appropriate model for determining the braking distance s = f (q, dq / dt, L) (3) depending on the joint coordinates q, their first time derivative or joint speed dq / dt and load parameters L, which in addition to the load mass may include their moments of inertia and center of gravity, but hardly online during operation possible.

Daher wird nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein nachfolgend erläutertes Verfahren zur Bestimmen eines Bremsweges eines Manipulators, insbesondere eines Roboters vorgeschlagen, das insbesondere zur Bestimmung des Bremsweges auf Basis eines aktuellen Zustandes während des Betriebs, i. e. online geeignet ist. Erster und zweiter Aspekt sind bevorzugt miteinander kombiniert. Gleichwohl kann der erste Aspekt, wie obige Gleichung (2) zeigt, auch ohne den zweiten Aspekt genutzt werden. Ebenso kann der zweite Aspekt ohne Verwirklichung des ersten Aspekts genutzt werden, beispielsweise zur Bahnplanung und -optimierung, bei der sehr viele Simulationsläufe durchgeführt und für verschiedene Manipulatorzustände Bremswege ermittelt werden müssen.Therefore, according to a second aspect of the present invention, a subsequently explained method for determining a braking distance of a manipulator, in particular of a robot is proposed, which in particular for determining the braking distance based on a current state during operation, i. e. is suitable online. First and second aspects are preferably combined. However, as the above equation (2) shows, the first aspect can be utilized without the second aspect. Likewise, the second aspect can be used without realizing the first aspect, for example for path planning and optimization, in which a large number of simulation runs have to be carried out and braking distances have to be determined for different manipulator states.

Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden vorab, insbesondere numerisch und/oder empirisch, für unterschiedliche Zustände und/oder Bremskraftverläufe des Manipulators Bremswege simuliert.According to the second aspect of the present invention, braking paths are simulated in advance, in particular numerically and / or empirically, for different states and / or braking force courses of the manipulator.

Ein Zustand kann dabei beispielsweise eine oder mehrere Positionen und/oder Geschwindigkeiten, beispielsweise kartesische Positionen bzw. Geschwindigkeiten von manipulatorfesten Referenzpunkten im Weltkoordinatensystem, oder Gelenkkoordinaten, insbesondere Gelenkwinkeln, bzw. deren zeitlichen Ableitungen, Traglastparameter wie insbesondere Masse, Trägheitsmomenten und/oder Schwerpunktlage der Traglast und dergleichen umfassen. Eine numerische Vorabsimulation kann insbesondere durch die Zeitintegration eines dynamischen Modells des Manipulators erfolgen, wie es rein exemplarisch in Gl. (1) angeben ist, eine empirische durch Testläufe und deren Auswertung.In this case, a state can be, for example, one or more positions and / or speeds, for example Cartesian positions or velocities of manipulator-fixed reference points in the world coordinate system, or joint coordinates, in particular joint angles or their time derivatives, load parameters such as in particular mass, moments of inertia and / or center of gravity of the load and the like. A numerical pre-simulation can be carried out in particular by the time integration of a dynamic model of the manipulator, as shown purely by way of example in Eq. (1) is an empirical through test runs and their evaluation.

Ein Bremskraftverlauf kann beispielsweise die Größe einer Bremskraft in Abhängigkeit von dem Zustand, insbesondere den Gelenkkoordinaten und/oder deren zeitlichen Ableitungen, der Zeit und/oder weiterer Parameter wie Haft- und Gleitreibungskoeffizienten umfassen. Dabei werden zur kompakteren Darstellung antiparallele Bremskraftpaare, i. e. Bremsmomente, welche auf eine Drehachse des Manipulators wirken, verallgemeinernd ebenfalls als Bremskräfte bezeichnet. Ein Bremskraftverlauf kann daher beispielsweise in der Form τi = μ0 × (dqi/dt)/|dqi/dt| + μ × (dqi/dt) (4) mit dem auf die Achse i wirkenden Bremsmoment τi und dem Haft- bzw. Gleitreibungskoeffizienten μ0, μ < 0 vorgegeben sein. Anstelle unterschiedlicher Bremskraftverläufe kann für die Variation der Zustände auch jeweils dergleiche Bremskraftverlauf verwendet werden, beispielsweise ein minimaler Bremskraftverlauf für jede Achse, so dass gewährleistet ist, dass der tatsächliche Bremskraftverlauf höher liegt, der tatsächliche Bremsweg mithin stets kürzer als der simulierte ist.A brake force curve can include, for example, the magnitude of a braking force as a function of the state, in particular the joint coordinates and / or their time derivatives, the time and / or other parameters such as static friction coefficients and sliding friction coefficients. In this case, anti-parallel braking force pairs, ie braking torques which act on an axis of rotation of the manipulator, are generally also referred to as braking forces for a more compact representation. A brake force curve can therefore, for example, in the form τ i = μ 0 × (dq i / dt) / | dq i / dt | + μ × (dq i / dt) (4) be predetermined with the force acting on the axis i braking torque τ i and the adhesion or sliding friction coefficient μ 0 , μ <0. Instead of different braking force curves can be used for the variation of the states also the same brake force curve, for example, a minimum braking force curve for each axis, so that it is ensured that the actual braking force curve is higher, the actual braking distance is therefore always shorter than the simulated.

Erfindungsgemäß wird dann auf Basis dieser vorab simulierten Bremswege eine obere Schranke für den Bremsweg abgeschätzt. Dies erfolgt, insbesondere bei Kombination mit dem ersten Aspekt, während des Betriebs des Manipulators, vorzugsweise im Wesentlichen in Echtzeit.According to the invention, an upper limit for the braking distance is then estimated on the basis of these previously simulated braking distances. This takes place, in particular when combined with the first aspect, during the operation of the manipulator, preferably substantially in real time.

Durch die erfindungsgemäße Abschätzung einer oberen Schranke kann auf die aufwändige exakte Auswertung des dynamischen Modells oder entsprechende Testläufe verzichtet werden, wenn der aktuelle Bremsweg bestimmt werden muss. Beispielsweise können für einen aktuellen Zustand ein oder mehrere nächstliegende simulierte Zustände herangezogen und aus den für diese bestimmten Bremswegen eine oberer Schranke für den aktuellen Zustand abgeschätzt, beispielsweise inter- oder extrapoliert werden.Due to the estimation of an upper barrier according to the invention, it is possible to dispense with the elaborate exact evaluation of the dynamic model or corresponding test runs, if the current braking distance has to be determined. For example, for a current state, one or more proximate simulated states may be used, and an upper bound for the current state may be estimated, for example interpolated or extrapolated, from the braking paths determined for them.

Bereits anhand des vorstehend erläuterten stark vereinfachten Beispiels mit einer vertikalen Drehachse ist ersichtlich, dass der Bremsweg unter anderem von Trägheitsparametern einer Traglast des Manipulators, in Gl. (1) von dem Trägheitsmoment J, abhängt. Diese variieren je nach bewegter Traglast, etwa gegriffener Nutzlast, unterschiedlichen Werkzeugen etc., teilweise stark.Already with reference to the highly simplified example with a vertical axis of rotation explained above, it can be seen that the braking distance includes, inter alia, inertia parameters of a load of the manipulator, in Eq. (1) depends on the moment of inertia J. These vary depending on the moving load, such as gripped payload, different tools, etc., sometimes strong.

Daher wird in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung der Bremswege für unterschiedliche Zustände des Manipulators für eine Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung simuliert. Eine Referenztraglast kann dementsprechend beispielsweise durch Werte für Masse und Trägheitsmomente, eine Referenztraglastanordnung entsprechend zum Beispiel durch die Schwerpunktlage der Traglast zum TCP oder den Bewegungsachsen des Manipulators vorgegeben werden.Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the braking paths for different states of the manipulator for a reference load and / or Referenztraglastanordnung is simulated. Accordingly, a reference load can be predetermined, for example, by values for mass and moments of inertia, a reference load arrangement corresponding, for example, by the center of gravity of the load to the TCP or the axes of movement of the manipulator.

Sofern eine tatsächliche Traglast im Betrieb zu stark von der in Vorabsimulationen zugrunde gelegten Referenztraglast abweicht, verfälscht dies die abgeschätzte oberer Schranke für den Bremsweg mit der Folge, dass dieser länger als erforderlich oder zu kurz wird. Daher wird in einer bevorzugten Weiterbildung ein Bremsweg, der für eine Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung vorab simuliert wurde, auf eine tatsächliche Traglast und/oder Traglastanordnung skaliert, um die obere Schranke abzuschätzen.If an actual load in operation deviates too much from the reference load applied in pre-simulations, this distorts the estimated upper limit for the braking distance with the consequence that it becomes longer than necessary or too short. Therefore, in a preferred embodiment, a braking distance, which has been simulated in advance for a reference load and / or reference load arrangement, to an actual load and / or load assembly scaled to estimate the upper bound.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Skalierungsgröße zum einen für die Referenztraglast und/oder für die Referenztraglastanordnung, zum anderen für die tatsächliche Traglast bzw. Traglastanordnung simuliert und aus dem Quotienten beider Skalierungsgrößen jeweils ein Skalierfaktor gebildet wird, mit dem der abgeschätzte Bremsweg beispielsweise multipliziert wird.This can be done, for example, by simulating a scaling quantity on the one hand for the reference load and / or for the reference load arrangement, on the other for the actual load or load-bearing arrangement, and forming a scaling factor from the quotient of both scaling variables, with which the estimated braking distance is multiplied by way of example becomes.

Da bei Abschätzung auf Basis einer Referenztraglast und Skalierung des Bremsweges mit einem oder mehreren Skalierungsfaktoren noch nicht zwingend gewährleistet ist, dass der Bremsweg bei einer tatsächlichen Traglast die so abgeschätzte obere Schranke nicht übersteigt, werden in einer bevorzugten Weiterbildung Bremswege für unterschiedliche Zustände des Manipulators zusätzlich für eine oder mehrere von der Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung verschiedene Traglasten bzw. Traglastanordnungen vorab simuliert. Wird dabei ein längerer Bremsweg ermittelt als derjenige, der sich auf Basis der Referenztraglast und der Skalierung ergibt, wird die obere Schranke entsprechend heraufgesetzt. Hierzu kann gleichermaßen auch der Bremsweg, der für die von der Referenztraglast(anordnung) verschiedene Traglast(anordnung) simuliert wurde, durch die Inverse des bzw. der Skalierfaktoren auf den Bremsweg für die Referenztraglast(anordnung) abgebildet und somit als weiterer Simulationslauf mit Referenztraglast(anordnung) behandelt werden.Since in estimation based on a reference load and scaling of the braking distance with one or more scaling factors is not necessarily guaranteed that the braking distance at an actual load does not exceed the estimated upper bound, in a preferred development braking paths for different states of the manipulator additionally for simulates one or more of the reference load and / or Referenztraglastanordnung different payloads or load capacity arrangements in advance. If a longer braking distance is determined than that which results on the basis of the reference load and the scaling, the upper limit is increased accordingly. For this purpose, the braking distance, which was simulated for the reference load (arrangement) different load (arrangement), equally represented by the inverse of the or the scaling factors on the braking distance for the reference load (arrangement) and thus as a further simulation run with reference load ( arrangement).

Beispielsweise bei einem üblichen sechsachsigen Knickarmroboter weist ein Zustandsvektor seiner Gelenkwinkel und Gelenkwinkelgeschwindigkeiten bereits 12 Dimensionen auf. Daher wird in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ein mehrdimensionaler Zustand des Manipulators auf eine niedrigerdimensionale, insbesondere skalare Größe bzw. Gesamtgeschwindigkeit abgebildet bzw. transformiert. Hierzu kann beispielsweise eine gewichtete Summe der Beträge oder Potenzen der Gelenkgeschwindigkeiten gebildet werden. Da der Bremsweg stark von der kinetischen Energie des Manipulators abhängt und diese sich bei Knickarmrobotern aus der Summe der Trägheitsmomente um die einzelnen Achsen, multipliziert mit den halben Quadraten der entsprechenden Gelenkwinkelgeschwindigkeiten ergeben, wird in einer bevorzugten Ausführung der durch die Gelenkkoordinaten und deren erste zeitliche Ableitung gegebene Zustand auf eine skalare Gesamtgeschwindigkeit transformiert, die im Wesentlichen der kinetischen Energie in diesem Zustand entspricht, wobei zur Vereinfachung auch jeweils Maximalwerte für Lastparameter wie Trägheitsmomente und/oder Schwerpunktabstände zugrundegelegt werden können.For example, in a conventional six-axis articulated robot, a state vector of its joint angles and joint angular velocities already has 12 dimensions. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, a multi-dimensional state of the manipulator is mapped or transformed to a lower-dimensional, in particular scalar, size or overall speed. For this purpose, for example, a weighted sum of the amounts or powers of the joint speeds can be formed. Since the braking distance depends strongly on the kinetic energy of the manipulator and this results in articulated robots from the sum of the moments of inertia about the individual axes multiplied by half the squares of the corresponding joint angular velocities, in a preferred embodiment, the through the joint coordinates and their first time derivative given state is transformed to a scalar total velocity, which essentially corresponds to the kinetic energy in this state, wherein for the sake of simplicity, maximum values for load parameters such as moments of inertia and / or center of gravity distances can also be used.

Insbesondere, wenn zur Abschätzung der oberen Schranke ein mehrdimensionaler Zustand des Manipulators auf eine skalare Gesamtgeschwindigkeit transformiert wird, kann aus allen Simulationen für unterschiedliche Zustände des Manipulators, die innerhalb einer vorgegebenen Diskretisierung bzw. Toleranz auf dieselbe skalare Gesamtgeschwindigkeit transformiert werden, der längste Bremsweg als obere Schranke für diese skalare Gesamtgeschwindigkeit ausgewählt werden. Der maximale Bremsweg kann dann beispielsweise durch einen Polygonzug über der skalaren Gesamtgeschwindigkeit abgespeichert werden.In particular, when a multidimensional state of the manipulator is transformed to a scalar total velocity for estimation of the upper bound, the longest braking distance of all simulations for different states of the manipulator, which are transformed within a given discretization or tolerance to the same scalar total velocity Barrier can be selected for this scalar overall speed. The maximum braking distance can then be stored, for example, by a polygon over the scalar total speed.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Vorabsimulationen typspezifisch für verschiedene Manipulatoren durchgeführt, die sich in ihrer Konfiguration, beispielsweise Achsanordnung, Achsabständen, Massen, Trägheitsmomenten und anderen Maschinendaten unterscheiden. Die Bestimmung des Bremsweges für einen bestimmten Manipulator erfolgt dann auf Basis der für diesen Manipulatortyp vorab simulierten Bremswege.In a preferred embodiment, the pre-simulations are performed type-specifically for various manipulators that differ in their configuration, such as axle arrangement, center distances, masses, moments of inertia, and other machine data. The determination of the braking distance for a specific manipulator then takes place on the basis of the brake paths simulated in advance for this type of manipulator.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:Further advantages and features emerge from the subclaims and the exemplary embodiments. This shows, partially schematized:

1, 2: Schutzbereiche eines Roboter, die nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgegeben werden; und 1 . 2 : Protection areas of a robot, which are given according to an embodiment of the present invention; and

3: den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vorgabe der Schutzbereiche in 1, 2. 3 : the sequence of a method according to the invention for specifying the protection zones in 1 . 2 ,

Zur besseren Übersicht wird die vorliegende Erfindung nachfolgend anhand eines vereinfachten Beispiels erläutert. Hierzu zeigen 1, 2 einen zweiachsigen Knickarmroboter 1 mit zwei Gliedern 1.1, 1.2 (vgl. 2), welche über Drehgelenke miteinander verbunden sind, deren Gelenkwinkel q1 bzw. q2 über Antriebe verstellbar sind, um eine Traglast L zu bewegen, deren Trägheitsparameter, insbesondere Masse m, Schwerpunktlage τTCP,L und Trägheitsmomente bzw. -tensor JL bezüglich des Tool Center Points TCP bekannt sind.For a better overview, the present invention is explained below with reference to a simplified example. Show this 1 . 2 a biaxial articulated robot 1 with two limbs 1.1 . 1.2 (see. 2 ), which are connected to each other via hinges whose joint angle q 1 or q 2 are adjustable via drives to move a load L whose inertia parameters, in particular mass m, center of gravity τ TCP, L and inertial Torsor J L respect of the Tool Center Points TCP.

In 1 bewegt der Roboter 1 die Traglast L mit eingeklapptem Arm 1.2 (q2 = 90°) auf einer Kreisbahn mit der kartesischen Geschwindigkeit vL,1 gegen den Uhrzeigersinn nach oben (v < 0), in 2 mit ausgeklapptem Arm 1.2 und höherer Winkelgeschwindigkeit dq1/dt nach unten.In 1 the robot moves 1 the load L with folded arm 1.2 (q 2 = 90 °) on a circular path with the Cartesian velocity v L, 1 counterclockwise upward (v <0), in 2 with folded arm 1.2 and higher angular velocity dq 1 / dt down.

Um Bedienpersonal und Einrichtung zu schützen sowie Selbstkollisionen zu vermeiden, ist in einem Weltkoordinatensystem, welches in der Basis des Roboters 1 angeordnet und in den 1, 2 strichpunktiert eingezeichnet ist, ein in den Figuren kreuzschraffiert angedeuteter Schutzbereich A0 definiert, in den der Roboter 1, beispielsweise mit seinem TCP oder mit keinem seiner Glieder 1.1, 1.2, eindringen darf. Wird, beispielsweise anhand der Gelenkwinkel q = (q1, q2) festgestellt, dass der Roboter 1 den Schutzbereich A0 verletzt, wird er gebremst und sicher stillgesetzt.In order to protect operators and equipment as well as to avoid self-collisions, is in a world coordinate system, which is in the base of the robot 1 arranged and in the 1 . 2 dash-dotted lines, one in the figures cross-hatched indicated protection area A0, in which the robot 1 for example with its TCP or with none of its members 1.1 . 1.2 , allowed to penetrate. If, for example, the joint angle q = (q 1 , q 2 ) determines that the robot 1 Protected area A0 injured, it is braked and shut down safely.

Um ein weiteres Eindringen des Roboters 1 in den Schutzbereich A0 zu verhindern, nachdem er dessen Grenze verletzt hat, wird dieser auf Basis eines maximalen Bremsweges smax des Roboters vergrößert. In 1, 2 ist exemplarisch der kreissegmentförmige Schutzbereich A0 an seinen beiden dem zulässigen Arbeitsraum des Roboters 1 zugewandten Radien (rechts in 1, 2) symmetrisch um ein jeweils schraffiert dargestelltes Kreissegment A1 (1) bzw. A2 (2) erweitert, dessen Winkelbereich von dem maximalen Bremsweg smax,1 bzw. smax,2 > smax,1 des Roboters 1 abhängt. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführung erfolgt die Vergrößerung in Abhängigkeit des Bewegungszustandes des Roboters, beispielsweise nur an Außenseiten des Schutzbereiches, deren nach außen gerichtete Normale mit der Geschwindigkeit des TCPs oder eines Robotergliedes einen Winkel größer 90° einschließt bzw. denen sich ein Teil des Roboters nähert, in 1 also nur durch Hinzufügen des oberen, in 2 durch Hinzufügen des unteren Kreissegments.To further penetration of the robot 1 to prevent the protection area A0 after it has violated its limit, this is increased on the basis of a maximum braking distance s max of the robot. In 1 . 2 is exemplary of the circular segment-shaped protection area A0 at its two the permissible working space of the robot 1 facing radii (right in 1 . 2 ) symmetrically about a respective hatched circle segment A1 ( 1 ) or A2 ( 2 ) whose angular range is from the maximum braking distance s max, 1 or s max, 2 > s max, 1 of the robot 1 depends. In another embodiment, not shown, the magnification takes place depending on the state of motion of the robot, for example, only on outer sides of the protection area whose outwardly directed normal with the speed of the TCP or a robot member includes an angle greater than 90 ° or which is a part of the Robot approaches, in 1 So just by adding the top, in 2 by adding the lower circle segment.

Man erkennt an dem vereinfachten Beispiel, dass der maximale Bremsweg vom Zustand des Roboters abhängt: während seine beim Abbremsen zu vernichtende kinetische Energie in 1 geringer ist. verlängert sich der Bremsweg in 2 aufgrund des ausgeklappten Armes, der höheren Winkelgeschwindigkeit dq1/dt sowie der unterstützenden Gravitationswirkung.It can be seen from the simplified example that the maximum braking distance depends on the state of the robot: while its kinetic energy to be destroyed during deceleration 1 is lower. extends the braking distance in 2 due to the unfolded arm, the higher angular velocity dq 1 / dt and the supporting gravitational effect.

Für den Bremsweg smax wird daher während des Betriebs online in Abhängigkeit des Zustandes des Roboters 1 entsprechend eines in 3 dargestellten Verfahrens eine obere Schranke abgeschätzt.For the braking distance s max , therefore, during operation online depending on the state of the robot 1 according to a in 3 illustrated method estimated an upper bound.

Hierzu werden offline vorab für unterschiedliche Robotertypen, etwa den in 1, 2 skizzierten zweiachsigen Roboter mit Gliedern 1.1, 1.2 bekannter Länge und Massenverteilung, jeweils für eine Referenztraglast LRef in einer Referenzanordnung in einem Schritt S10 für verschiedene Gelenkwinkel qi und -geschwindigkeiten dqj/dt = (dq1 J/dt, dq2 J/dt, ...) auf Basis eines dynamischen Modells des Roboters, vorzugsweise unter Berücksichtigung verschiedener Achsbremsmomentverläufe τl (q, dq/dt, t) oder mit einem für alle Zustandsvariationen gleichen, vorzugsweise minimalen, fixen Bremsmomentenverlauf für jede Achse, jeweils dessen maximaler Bremsweg ermittelt bzw. abgeschätzt: smax,Ref,ij = f(qi, dqj/dt, LRef, τl); i = 1, 2, ...; j = 1, 2, ...; l = 1, 2, ... (5) To do this offline in advance for different types of robots, such as in 1 . 2 sketched biaxial robot with limbs 1.1 . 1.2 known length and mass distribution, each for a reference load L Ref in a reference arrangement in a step S10 for different joint angle q i and velocities dq j / dt = (dq 1 J / dt, dq 2 J / dt, ...) based a dynamic model of the robot, preferably taking into account various Achsbremsmomentverläufe τ l (q, dq / dt, t) or with a state of all variations, preferably minimal, fixed braking torque curve for each axis, respectively determined or estimated its maximum braking distance: s max, Ref, ij = f (q i , dq j / dt, L ref , τ l ); i = 1, 2, ...; j = 1, 2, ...; l = 1, 2, ... (5)

Alternativ können diese maximalen Bremswege auch empirisch ermittelt werden.Alternatively, these maximum braking distances can also be determined empirically.

Diese Gelenkwinkelgeschwindigkeiten dqj/dt werden auch auf eine skalare Gesamtgeschwindigkeit Qj abgebildet, die proportional zur Summe von gewichteten Potenzen der einzelnen Gelenkwinkelgeschwindigkeiten dqk/dt ist (Schritt S20): Qj = a1 × (dq1 J/dt)2 + a2 × (dq2 J/dt)2 + ... = (dqj/dt)T × A × (dqj/dt) (6) These joint angular velocities dq j / dt are also mapped to a scalar total velocity Q j which is proportional to the sum of weighted powers of the individual joint angular velocities dq k / dt (step S20): Q j = a 1 × (dq 1 J / dt) 2 + a 2 × (dq 2 J / dt) 2 + ... = (dq j / dt) T × A × (dq j / dt) (6)

Dann wird in einem Schritt S30 unter allen simulierten Gelenkwinkelgeschwindigkeiten dq/dt, die innerhalb einer vorgegeben Diskretisierung δ auf dieselbe Gesamtgeschwindigkeit Q abgebildet werden, der jeweils maximale der simulierten Bremswege smax,Ref,ij ausgewählt: F(x) = max{f(qi, dqj/dt, LRef)| Q(dqj/dt) = x ± δ} (7) wobei „max{Y(x)| Z(x) = X}” in fachüblicher Weise das Maximum aller Werte Y bezeichnet, deren Argument x die Eigenschaft Z(x) = X aufweist.Then, in a step S30 of all simulated joint angular velocities dq / dt, which are mapped to the same overall velocity Q within a predetermined discretization δ, the respective maximum of the simulated braking distances s max, Ref, ij is selected: F (x) = max {f (q i , dq j / dt, L Ref ) | Q (dq j / dt) = x ± δ} (7) where "max {Y (x) | Z (x) = X} "in a usual way the maximum of all values Y, whose argument x has the property Z (x) = X.

Diese auf die skalare Gesamtgeschwindigkeit Q bezogenen maximalen Bremswege F werden nun in einem Schritt S40 auf einen Polygonzug P abgebildet, der stets wenigstens den Maximalwert aller maximalen Bremswege F in einem Diskretisierungsintervall Qk ≤ Q ≤ Qk+1 aufweist, so dass gilt: Qk ≤ Q ≤ Qk+1 ⇒ P(Q) ≥ F(Q). (8) These maximum braking distances F related to the overall scalar velocity Q are now mapped to a polygon P in a step S40, which always has at least the maximum value of all maximum braking distances F in a discretization interval Q k ≦ Q ≦ Q k + 1 . Q k ≤ Q ≤ Q k + 1 ⇒ P (Q) ≥ F (Q). (8th)

Dieser Polygonzug liefert damit eine leicht auswertbare Abschätzung für den maximalen Bremsweg eines Roboters des zugrundeliegenden Typs mit einer Referenztraglast LRef in einer Referenzanordnung.This traverse thus provides an easily evaluable estimate for the maximum braking distance of a robot of the underlying type with a reference load L Ref in a reference arrangement.

Zur Abschätzung des im Betrieb auftretenden maximalen Bremswegs wird dieser Wert noch von den Referenzwerten auf die tatsächliche Traglast und ihre Anordnung skaliert. Hierzu wird der Wert einerseits mit einem Skalierungsfaktor fakLast multipliziert, der sich aus dem Quotienten der Werte gemäß (6) unter Zugrundelegung tatsächlicher Traglastparameter, dividiert durch Werte gemäß (6) unter Zugrundelegung der Referenzlastparameter ergibt. Um diese Auswertung zu erleichtern, werden jeweils Maximalwerte für die Abstände des Traglastschwerpunktes zu den einzelnen Bewegungsachsen des Roboters gewählt, beispielsweise Jy,L + (lTCP + l1.1 + l1.2)2 × mL mit dem Trägheitsmoment Jy,L der Last um ihren Schwerpunkt, dem Abstand lTCP vom diesem zum Flansch des Roboters, dessen Gliedlängen l1.1, l1.2 sowie der Masse mL der Nutzlast.To estimate the maximum braking distance that occurs during operation, this value is still scaled from the reference values to the actual load and its arrangement. For this purpose, the value is multiplied on the one hand by a scaling factor fak Last , which results from the quotient of the values according to (6) on the basis of actual load parameters divided by values according to (6) on the basis of the reference load parameters. In order to facilitate this evaluation, maximum values for the distances between the load center of gravity and the individual movement axes of the robot are selected, for example J y, L + (1 TCP + 1.1 + 1.2 ) 2 × m L with the moment of inertia J y, L of Load around their center of gravity, the distance l tcp from this to Flange of the robot, whose link lengths 1.1 , 1.2 and the mass m L of the payload.

Zusätzlich wird der Wert mit einem Skalierungsfaktor fakTCP multipliziert, der sich aus dem Quotienten einer Hilfsfunktion für die geometrischen Maße des tatsächlichen TCPs, dividiert durch dieselbe Hilfsfunktion für die Maße eines Referenz-TCP ergibt, wobei die Hilfsfunktion ihrerseits der über alle Achsen des Roboters gebildeten Summe der Quotienten aus Abstand des TCP zu einer Achse, multipliziert mit deren Geschwindigkeitsquadrat, dividiert durch die Winkelbeschleunigung dieser Achse entspricht.In addition, the value is multiplied by a scaling factor fak TCP , which is the quotient of an auxiliary function for the geometric dimensions of the actual TCP divided by the same auxiliary function for the dimensions of a reference TCP, the auxiliary function itself being the one formed across all axes of the robot Sum of the quotients from the distance of the TCP to an axis, multiplied by its velocity square, divided by the angular acceleration of this axis.

Abschließend werden in einem Schritt S50 offline Simulationen mit verschiedenen Traglasten und Traglastanordnungen Lk durchgeführt und die dabei erhaltenen maximalen Bremswege durch Division mit den vorstehend erläuterten Skalierungsfaktoren fakLast, fakTCP auf die Referenztraglast bzw. -anordnung zurückskaliert. Ergibt sich dabei für eine oder mehrere Gesamtgeschwindigkeiten ein höherer Wert im Vergleich zu dem auf Basis der Referenztraglast bzw. -anordnung bestimmten Polygonzug, wird dieser entsprechend zu Pmod modifiziert, so dass er in Intervallen, in denen die Simulationen mit von der Referenzkonfiguration verschiedenen Traglasten und Traglastanordnungen größere maximale Bremswege ergeben, stets diese höheren Werte aufweist. Alternativ können die Simulationen mit verschiedenen Traglasten und Traglastanordnungen Lk auch vor, mit oder nach den Schritten S10, S20 durchgeführt werden und tieferen dann weitere, durch die Rückskalierung auf die Referenztraglast bezogene, Bremswege F(Q), die in Schritt S40 bei der Bildung des Polygonzuges P(Q) eingehen.Finally, in a step S50, simulations with different payloads and payload arrangements L k are carried out offline and the maximum braking distances thus obtained are scaled back to the reference load or arrangement by division with the above-described scaling factors fak load , fak TCP . If, for one or more overall speeds, this results in a higher value in comparison to the traverse determined on the basis of the reference load or arrangement, this is modified accordingly to P mod , so that it at intervals in which the simulations with different loads from the reference configuration and payload arrangements give greater maximum braking distances, always having these higher values. Alternatively, the simulations with different payloads and payloads L k may also be performed before, with or after steps S10, S20, and then lower further braking distances F (Q) related to the reference payload by the scaling back to those at step S40 in formation of the polygon P (Q).

Im online-Betrieb wird nun eine obere Schranke für den maximalen Bremsweg smax abgeschätzt. Hierzu wird in einem zyklisch wiederholten Schritt S100 die aktuelle Gesamtgeschwindigkeit Q für den aktuellen Zustand gemäß (5) ermittelt, mit dieser aus dem modifizierten Polygonzug Pmod(Q) in Schritt S110 ein maximaler Referenzbremsweg ermittelt und dieser in einem Schritt S120 mit den Skalierungsfaktoren fakLast, fakTCP multipliziert. Auf Basis des solcherart abgeschätzten maximalen Bremswegs smax wird in einem Schritt S130 in der eingangs erläuterten Weise der Schutzbereich A0 erweitert, wobei beispielsweise der Winkel des vergrößernden Kreissegmentes A1 bzw. A2 proportional zum maximalen Bremsweg smax gewählt wird.In online operation, an upper limit for the maximum braking distance s max is now estimated. For this purpose, in a cyclically repeated step S100, the current total speed Q for the current state is determined according to (5), with this from the modified polygonal path P mod (Q) in step S110 determines a maximum reference braking and this in a step S120 with the scaling factors fak Last , fak TCP multiplied. On the basis of the thus estimated maximum braking distance s max , the protected area A0 is widened in a step S130 in the manner explained in the introduction, wherein, for example, the angle of the widening circle segment A1 or A2 is selected to be proportional to the maximum braking distance s max .

Im Ausführungsbeispiel führt die aufgrund des ausgeklappten Armes und der größeren kartesischen Geschwindigkeit vL,2 höhere kinetische Energie und die beschleunigende Gravitationskomponente der in 2 dargestellten Konfiguration zu einem größeren abgeschätzten maximalen Bremsweg smax und damit zu einer größeren Vergrößerung A2 des Schutzbereichs A0 als bei der in 1 dargestellten Konfiguration mit eingeklappten Arm und zusätzlich bremsender Gravitationskomponente. Dadurch wird sichergestellt, dass der Roboter vor dem eigentlichen Schutzbereich A0 zum Stillstand kommt, wenn er im Zustand der 1 die obere Grenze des Bereichs A1, im Zustand der 2 die untere Grenze des Bereichs A2 überschreitet.In the exemplary embodiment, due to the unfolded arm and the greater Cartesian velocity v L, 2 higher kinetic energy and the accelerating gravitational component of in 2 shown configuration to a larger estimated maximum braking distance s max and thus to a larger magnification A2 of the protection area A0 than in the 1 illustrated configuration with folded arm and additional braking gravity component. This ensures that the robot comes to a standstill before the actual protection area A0 when it is in the state of 1 the upper limit of the range A1, in the state of 2 exceeds the lower limit of the range A2.

Auf diese Weise kann in rechentechnisch schnell und einfach auszuwertender Weise eine obere Schranke für den maximalen Bremsweg abgeschätzt und der Schutzbereich auf Basis dieser Abschätzung vergrößert werden.In this way, an upper limit for the maximum braking distance can be estimated in a computationally fast and simple manner and the protection range can be increased on the basis of this estimate.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Roboterrobot
1.1, 1.21.1, 1.2
Robotergliederrobot members
A0, A1, A2A0, A1, A2
Schutzbereichthe scope
LL
Nutzlastpayload
smax s max
maximaler Bremswegmaximum braking distance
q1, q2 q 1 , q 2
Gelenkwinkeljoint angle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (11)

Verfahren zum Stillsetzen eines Manipulators, insbesondere eines Roboters (1), mit den Schritten: Überwachen eines Bereichs (A0; A1; A2); und Bremsen des Manipulators (1) bei einer Bereichsverletzung; dadurch gekennzeichnet, dass der überwachte Bereich während des Betriebs auf Basis eines Bremsweges (smax) des Manipulators variabel vorgegeben wird (S130).Method for stopping a manipulator, in particular a robot ( 1 ), comprising the steps of: monitoring a range (A0; A1; A2); and braking the manipulator ( 1 ) in the case of a division violation; characterized in that the monitored area is variably set during operation on the basis of a braking distance (s max ) of the manipulator (S130). Verfahren zur Bestimmung eines Bremsweges, insbesondere zur Vorgabe des überwachten Bereichs (A0; A1; A2) auf Basis des Bremsweges in einem Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: Vorabsimulation von Bremswegen für unterschiedliche Zustände (q, dq/dt, L) und/oder Bremskraftverläufe (τ) des Manipulators (S10); und Abschätzen einer oberen Schranke als Bremsweg (smax) auf Basis der vorab simulierten Bremswege (S120).Method for determining a braking distance, in particular for specifying the monitored area (A0, A1, A2) on the basis of the braking distance in a method according to claim 1, with the steps: pre-simulation of braking distances for different states (q, dq / dt, L) and / or braking force curves (τ) of the manipulator (S10); and estimating an upper limit as a braking distance (s max ) based on the previously simulated braking distances (S120). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bremswege für unterschiedliche Zustände (q, dq/dt) und/oder Bremskraftverläufe (τ) des Manipulators jeweils für eine Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung (LRef) vorab simuliert werden (S10).A method according to claim 2, characterized in that braking paths for different states (q, dq / dt) and / or braking force curves (τ) of the manipulator in each case for a reference load and / or Referenztraglastanordnung (L Ref ) are simulated in advance (S10). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Bremswege, die für eine Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung (LRef) vorab simuliert werden, auf eine tatsächliche Traglast und/oder Traglastanordnung (L) skaliert werden (S120).A method according to claim 3, characterized in that braking paths, which are simulated in advance for a reference load and / or Referenztraglastanordnung (L Ref ), are scaled to an actual load and / or load assembly (L) (S120). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Bremswege für unterschiedliche Zustände (q, dq/dt) und/oder Bremskraftverläufe (τ) des Manipulators zusätzlich für von der Referenztraglast und/oder Referenztraglastanordnung verschiedene Traglasten bzw. Traglastanordnungen (Lk) vorab simuliert werden (S50).Method according to one of the preceding claims 3 to 4, characterized in that braking paths for different states (q, dq / dt) and / or braking force curves (τ) of the manipulator in addition to the reference load and / or reference Traglastanordnung different payloads or load capacity arrangements (L k ) are simulated in advance (S50). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrdimensionale Zustände (dq/dt) des Manipulators auf eine niedrigerdimensionale, insbesondere skalare Größe (Q) abgebildet werden, bezüglich der der Bremsweg bestimmt wird (S20, S100).Method according to one of the preceding claims 2 to 5, characterized in that multidimensional states (dq / dt) of the manipulator are mapped to a lower-dimensional, in particular scalar quantity (Q), with respect to the braking distance is determined (S20, S100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schranke auf Basis eines Polygonzuges (P) bestimmt wird (S40, S110).Method according to one of the preceding claims 2 to 6, characterized in that the upper bound is determined on the basis of a polygon (P) (S40, S110). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsweg auf Basis von Maximalwerten für Lastparameter abgeschätzt wird.Method according to one of the preceding claims 2 to 7, characterized in that the braking distance is estimated on the basis of maximum values for load parameters. Vorrichtung zum Stillsetzen eines Manipulators, insbesondere eines Roboters (1), mit einer Rechenvorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.Device for stopping a manipulator, in particular a robot ( 1 ), with a computing device adapted to carry out a method according to any one of the preceding claims. Computerprogramm, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es in einer Rechenvorrichtung nach Anspruch 9 abläuft.Computer program that executes a method according to one of claims 1 to 8, when it runs in a computing device according to claim 9. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und ein Computerprogramm nach Anspruch 10 umfasst.A computer program product with program code stored on a machine readable medium and comprising a computer program according to claim 10.
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